DE102014014151A1

DE102014014151A1 - Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102014014151A1
Application number: DE102014014151.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2016-03-24

Abstract

In AZ 195.06.186.1 und AZ 197 30 353.6 werden Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens beschrieben, welche eine adiabate Expansion mit kondensierenden Arbeitsmedien durchführen, worauf der kondensierte Anteil abgeschieden und der restliche Anteil auf den Ausgangszustand unter Wärmeabgabe zurückverdichtet wird. Die Wärmeabgabe erfolgte bisher an den auf den Ausgangsdruck zurückverdichteten abgeschiedenen und flüssigen, bei dem oberen Prozeßdruck verdampfendem Anteil. Die wesentliche Verbesserung der vorliegenden Erfindung ist es jedoch, die Arbeit der Speisepumpe durch eine Verringerung des Kompressionsenddruckes (1') zu senken, wonach die Verdampfung des abgeschiedenen Kondensates (1'–2'–3') isochor oder teilweise isochor (bei gleichbleibendem Volumen) erfolgt, wodurch zunächst eine Druckerhöhung des Kondensates aufgrund der Wärmezufuhr stattfindet. Weiterhin sinkt durch einen guten Wärmeübergang zwischen dem Kondensat und dem zu verdichtenden Restdampf (1''–2''–3'') die hierbei aufzuwendende Verdichtungsarbeit, da die Verdichtung aufgund der Wärmeabfuhr an das Kondensat (QA, QB) bei einer gegenüber der Ausgangsvariante verminderten Temperatur stattfindet. Neben der möglichen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Strömungsmaschinen werden anhand von Unteransprüchen vier mögliche Ausgestaltungsformen von Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Verdrängermaschinen vorgestellt.

Description

In AZ 195.06.186.1 und AZ 197 30 353.6 werden Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens beschrieben, welche, ausgehend von einem gesättigten Dampf mit einer überhängenden rechten Grenzkurve im T,s-Diagramm, eine adiabate Expansion durchführen, bei welcher dieser naß wird (siehe ), d. h. daß ein Teil kondensiert. Der kondensierte Anteil wird abgeschieden (z. B. durch den Abscheider AB), der verbleibende Anteil unter Wärmeabfuhr in zwei Stufen auf den Ausgangszustand zurückverdichtet, wogegen der abgeschiedene, flüssige Anteil durch die Speisepumpe SP zurück auf den Ausgangsdruck komprimiert wird,
worauf er mit der von dem verdichteten Restdampfanteil abgeführten Wärme QA zunächst im Wärmetauscher WT erwärmt, später im Verdampfer VD durch die Wärmemenge QB verdampft wird.
Anschließend wird der abgeschiedene, nun verdampfte Anteil bei den oberen Prozesszuständen wieder dem verbliebenen Anteil zugemischt, wodurch der Ausgangszustand erreicht ist.
Wärmezu- und -Abführung erfolgen an geeigneten Stellen, siehe , und .
Diese Methode kann für die Carnotisierung von Prozessen mit Phasenübergang verwendet werden und stellt somit den bekannten Stand der Technik dar, siehe [1]. Zur Abgrenzung von bisherigen Verfahren gelten die in den genannten Aktenzeichen getätigten Äußerungen.
Die vorliegende Erfindung besteht aus wesentlichen, dem Fachmann nicht naheliegenden, neuen Verfahren, welche teilweise auf den genannten Verfahren aufsetzen, sowie neuartigen Vorrichtungen zur Durchführung derselben.
Der in Patentanspruch 1 dargelegten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung des genannten einfachen Verfahrens zum Betreiben der Anlage zu erzielen, welches einen sicheren und verlustarmen Betrieb ermöglicht und dabei die Abgabeleistung optimiert.
Diese erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale des Verfahrens gelöst, indem durch die Verringerung des Kompressionsenddruckes (1') der Speisepumpe SP die Speisepumpenarbeit teilweise ( , links) oder fast vollständig ( , links) gegenüber der Ausgangsversion (Stand der Technik, , links) verringert wird. Die genannten Darstellungen zeigen ein p,V-Diagramm des Arbeit umsetzenden Teils (Hauptsystem plus Speisepumpe SP in ) des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches als wärmetechnisches Schaltbild in dargestellt ist. und stellen die Zustandsänderungen jeweils schematisch in p,h-Diagrammen dar, wogegen die Darstellungen in den p,v-Diagrammen, , und , einer idealisierten, verlustfreien Berechnung mit realen Stoffwerten entstammen.
Bei einer nun stattfindenden Verdampfung des abgeschiedenen Kondensates (1'–2'–3') bei einem geringeren als dem Ausgangsdruck des Prozesses wird zum einen die Speisepumpenarbeit verringert. Zum anderen verringert sich In der Folge aufgrund des geforderten sehr guten Wärmeübergangs die bei der Verdichtung des verbliebenen Restdampfanteils auftretende Temperatur und mit ihr die aufzuwendende Verdichtungsarbeit in den Verdichtern VA und VB ( ) aufgrund des geforderten guten Wärmeübergangs QA und OB.
Die Erreichung des Ausgangsdruckes des Kondensates wird entweder wie in dargestellt, durch eine isochore Verdampfung im zeitweise abgeschlossenen Kondensatsystem (1'–2'–3') ( , links) durch die Wärmezufuhr (QA, OB, ähnlich ) bewirkt, oder durch eine Einspritzung des flüssigen oder teilverdampften Kondensates in den verdichteten Restdampf und darauf folgende Verdampfung, siehe unten, jedoch in beiden Fällen nicht mehr durch die Speisepumpe SP.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile bestehen somit in der wesentlichen Erhöhung der abgegebenen Nutzarbeit.
Hierbei ist es neben einem Wärmeaustausch im Wärmetauscher WT, wie in dargestellt, auch möglich, letzteren als Regenerator auszugestalten, welcher die für die Verdampfung des eingespritzten Kondensates erforderliche Wärmemenge bei der Verdichtung des Restdampfes speichert, und nunmehr das flüssige Kondensat in den Regenerator und den verdichteten Restdampfanteil einzuspritzen, was konstruktive Vereinfachungen ermöglicht ( und ). Hierbei verdampft die eingespritzte Menge des Kondensates bei einem (gleitend) geringeren Druck als dem Ausgangsdruck, wobei die dargestellte Lage des Kompressionsenddruckes ( links) lediglich exemplarisch ist.
In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Hauptanspruch 1 wird der Druck des abgeschiedenen Anteils nicht bis auf einen gegenüber dem oberen Prozeßdruck verminderten Druck, sondern nur auf einen geringen, für die Füllung des Kondensatsystems (1'–2'–3') ( links) erforderlichen Druck gefördert, wobei dessen weitere Druckerhöhung auf den Ausgangsprozeßdruck annähernd isochor innerhalb des zeitweise abgeschlossenen Volumens (WT, VD) durch Wärmezufuhr QA, QB von dem zu verdichtenden Restdampfanteil (VA, VB) erfolgt.
Der Unterschied in der Prozeßführung ist demzufolge zunächst nur durch den nochmals verminderten Druck (1') der Speisepumpe SP bedingt, wodurch diese Variante für die Einspritzung nicht mehr gut geeignet ist, sondern sich insbesondere für Wärmetauscher in den Verdichter(n) des Restdampfanteils eignet und nicht mehr Regeneratoren wie in der ersten Variante ( und ).
Der Vorteil liegt hier insbesondere in der nochmals höheren erzielbaren Abgabeleistung. Nachteilig ist hingegen der weiter erhöhte Bauaufwand.
Beide Varianten stellen eine fundamentale Verbesserung des Ausgangsprozesses ( und ) in einer auch für den Fachmann nicht naheliegenden Form dar.
Wie in nahegelegt, sind die Verfahren generell in der Umsetzung sowohl in Strömungs- als auch in Verdrängermaschinen geeignet. Die Ausnahme bildet hier das Kondensatsystem ( . links, Zustandsänderungen 1' bis 3'), welches aufgrund der Forderung nach einer isochoren Zustandsänderung zeitweise geschlossen sein muß, und zur Durchführung aller Zustandsänderungen anschliessend bis auf den Ausgangsdruck oder in dessen Nähe entleert werden muß, was nur transient geschehen kann. Dies wird erreicht, indem das Kondensatsystem (1'–3') periodisch nach der Verdampfung einer bestimmten Menge geöffnet und dann auf den Speisepumpenenddruck oder einen Druck in dessen Nähe entleert wird.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen nach den Ansprüchen 2, 3, 4 und 5 stellen Möglichkeiten der konstruktiven Umsetzung des Verfahrens nach Hauptanspruch 1 in Hubkolben- oder ähnlichen Verdrängermaschinen, nach Anspruch 5 in Verdränger- und Strömungsmaschinen dar. Ansonsten gelten die in den AZ 195.06.186.1 und AZ 197 30 353.6 genannten Maßnahmen als technischer Stand.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Unteranspruch 2 weist ein geschlossenes Arbeitsvolumen auf, welches durch einen hin- und hergehenden Kolben in ein oberes (Entspannungsraum, ER) und ein unteres Teilvolumen (Verdichtungsraum, VR) voneinander getrennt ist, siebe , wobei (VR) mit automatischen Ventilen (v1, v2) in von Kompressoren bekannter Form zur Steuerung von Füllung und Entleerung ausgestattet werden kann, wogegen (ER) mit geeignet betätigten Ventilen zur Steuerung von Einlaß des verdichteten Dampfanteils (v3), der Steuerung des Einlasses des verdampften Kondensates (v4), sowie eines Auslaßventils zur Entleerung des entspannten Arbeitsvolumens (v5) ausgestattet ist, wobei das Dampfeinlaßventil (v3) auch durch eine an dem hin- und hergehenden Kolben angebrachte Betätigung geöffnet werden kann, wogegen die Ventile (v4) und (v5) geeignet durch eine Nockenwelle NW betätigt werden können, wobei auch eine Betätigung durch einen gemeinsamen Kipphebel erfolgen kann ( ). Hierbei öffnet (v4) während des Entspannungsvorgangs, wogegen (v5) während des Ladungswechsels geöffnet ist. Weiterhin ist es möglich, das Ventil (v3) durch das Ventil (v4) zu ersetzen, wobei die Aufgabe von Ventil (v4) durch ein Rückschlagventil zwischen dem Kondensat und dem Restdampf übernommen werden kann.
Die Abscheidung des nach der Entspannung kondensierten Anteils erfolgt durch den Abscheider (AB), die Förderung des abgeschiedenen Anteils erfolgt durch die zweckmässig angetriebene Speisepumpe (SP), wonach dessen Verdampfung im Wärmetauscher (WT) erfolgt, wobei der verdichtete Restdampf dort abgekühlt wird, bevor beide Teilmengen durch die Ventile (v3) und (v4) wieder in das obere Volumen (ER) gelangen, dort expandieren und dann durch das Ventil (v5) austreten.
Eine weitere Verbesserung ist die gleichzeitige Förderung einer Kühlflüssigkeit durch die Speisepumpe (SP) (obere dünne Linie), welche einen sehr viel geringeren Dampfdruck als das kondensierende Arbeitsfluid aufweist, welche im Abscheider (AB) ebenfalls abgeschieden wird, wobei aufgrund des Dichteunterschiedes eine Seperation der beiden Flüssigkeiten erreicht wird. Vor und während der Verdichtung des Restdampfanteils findet im unteren Verdichtungsraum (VR) eine Einspritzung der Kühlflüssigkeit (EK) statt, um den Temperaturanstieg bei der Verdichtung zu senken. Im weiteren Verlauf wird die Kühlflüssigkeit einfach mittransportiert. Die beiden Volumen (ER) und (VR) können hierbei natürlich auch durch getrennte Zylinder und Kolben gebildet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Unteranspruch 3 stellt eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Hauptanspruch 1 mittels zweier im 90°-Versatz bewegter Kolben dar, welche eine dem Stirlingverfahren ähnliche Bewegung durchführen, siehe . Dabei wirken die durch Leitungen verbundenen Zylinder (Z1) und (Z2) als gemeinsames Expansions- und Kompressionsvolumen, wogegen das Arbeitsfluid bei der beispielsweise angenommenen Rechtsdrehung in Draufsicht bei dem oberen Prozeßdruck eine Bewegung vom Zylinder (Z2) über den Wärmetauscher (WT) durch das Injektorvolumen (INJ) und den Abscheider (AB) zu Zylinder (Z1) strömt, wogegen es bei dem unteren Prozeßdruck wieder zurückströmt.
Demgemäß findet eine Wärmeabfuhr bei dem oberen Prozeßdruck im Wärmetauscher (WT) statt, welcher hier im Gegensatz zu Unteranspruch 2 als Regenerator ausgeführt ist, und eine Abscheidung bei dem unteren Prozeßdruck im Abscheider (AB).
Die Einspritzung erfolgt bei dem oberen Prozeßdruck im Injektorvolumen (INJ), gefördert durch die Speisepumpe (SP), wobei das eingespritzte Kondensat bei Auftreffen auf die Oberfläche des Regenerators (WT) verdampft.
In einer Abwandlung des Verfahrens werden Rückschlagventile in die Verbindungsleitung sowie parallele Umgehungsleitungen eingebaut, welche für eine Durchströmung des Wärmetauschers (WT) und des Abscheiders (AB) jeweils nur in eine Strömungsrichtung sorgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Unteranspruch 4 stellt eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Hauptanspruch 1 dar, wobei die Prozessführung mittels eines einzigen Zylinders (Z1) mit Kolben in ähnlicher Weise wie bei der Vorrichtung nach Hauptanspruch 3 erfolgt, wobei jedoch der Zylinder (Z2) entfällt und de Hin- und Herbewegung des Arbeitsfluides durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens (Z1) erfolgt, und der Wärmetauscher (WT) den Abschluss der Leitung darstellt, siehe . In dieser Ausgestaltungsform ähnelt die Vorrichtung dem bekannten Pulsröhrenkühler [2].
Allen Unteransprüchen gemeinsam ist die Möglichkeit der Ausführung der Kondensatzuführung entweder als Einspritzung (INJ) und anschliessender Verdampfung, wobei der Wärmetauscher (WT) als Regenerator ausgeführt werden kann, siehe Unteranspruch 3 und 4,
oder der Verdampfung und anschliessender Zumischung des verdampften Kondensates, möglicherweise gesteuert durch Ventile, wobei der Wärmetauscher (WT) gefüllt und wieder entleert wird, siehe Unteranspruch 2.
Weiterhin besteht für alle Unteransprüche die Möglichkeit der Verdichtungskühlung durch Einspritzung einer Kühlflüssigkeit, siehe Unteranspruch 2.
Neben den genannten Ventil-, Strömungs- und Verdrängermaschinenbauformen sind natürlich auch Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand aller anderen bekannten Bauformen (Stirling-, Scroll-, Screw-, 2Takt-, 4Takt-, Axial-, Radial-, Mixed Flow-Strömungs- oder Verdrängermaschinen, usw.) durchführbar.
Literaturverzeichnis

[1] C. Feiler, Eine Methode zur Carnotisierung von Prozessen mit Phasenübergang, Posterbeitrag, Kraftwerkstechnisches Kolloquium Dresden, Dresden, 1999
[2] www.wikipedia.de/pulsröhrenkühler

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschinenanlage mit einem bei der Entspannung kondensierenden Anteil und bei der Verdichtung des Restdampfanteils an das abgeschiedene Kondensat abgeführter Verdichtungswärme, dadurch gekennzeichnet, daß eine Komprimierung des abgeschiedenen Kondensats durch die Speisepumpe SP nicht bis auf den Ausgangsdruck des Prozesses erfolgt, sondern nur bis zu einem geringeren Druck, welcher entweder dem Druck gänzlich oder annähernd entspricht, der sich im Ausgangsgesamtvolumen, bei jedoch um den abgeschiedenen Teil verringerter Gesamtmasse des Hauptanteils einstellt., zusätzlich einem für die Umsetzung einer möglichen Einspritzung erforderlichen Druckes, wobei die folgende Verdampfung des Kondensates (1'–2'–3') bei dem erstgenannten geringeren Druck und anschließend steigend bis zum Ausgangsdruck des Prozesses erfolgt, woraufhin zur Ermöglichung des nächsten Arbeitstaktes eine Entleerung des Kondensatvolumens (1'–2'–3') bis hin zum Verdichtungsenddruck (1') der Speisepumpe erfolgt, wogegen die restlichen Zustandsänderungen den Ausführungen z. B. in AZ 197 30 353.6 folgen, wobei dies insbesondere durch eine Einspritzung des Kondensates in den verdichteten Restdampf in der Gegenwart eines Regenerators erfolgen kann, wobei der Regenerator die Verdichtungswärme des verdichteten Restdampfes aufnimmt und an das eingespritzte Kondensat abgibt, oder dass die Komprimierung des Kondensates (1') bis zu einem geringeren Druck, welcher dem unteren Prozessdruck und einem zusätzlichen zweckmäßigen, aber geringen Anteil entspricht, worauf die Verdampfung des Kondensates in einem zeitweise geschlossenen Volumen (1'–2'–3') isochor oder annähernd isochor unter innerer Druckerhöhung auf den Ausgangsdruck erfolgt, wobei anhand von geeigneten Maßnahmen für einen guten Wärmeübergang die bei der Verdichtung der verbliebenen Restmenge (1''–2''–3'') auftretende Temperatur gesenkt wird, worauf der abgeschiedene Anteil nach Erreichung des Ausgangsdruckes dem verbliebenen Anteil zugemischt wird. Zur Ermöglichung einer erneuten Füllung während des nächsten Arbeitstaktes wird das Kondensatvolumen anschließend bis zur Erreichung des unteren Prozessdruckes entleert, wogegen die restlichen Zustandsänderungen den Ausführungen z. B. in AZ 197 30 353.6 folgen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Verfahrens nach Hauptanspruch 1 die Entspannung und Verdichtung in einem geschlossenen Volumen durchgeführt werden, welches einen beweglichen Kolben aufweist, welcher das obere (Entspannungsraum, ER) und das untere Volumen (Verdichtungsraum, VR) voneinander abtrennt, siehe , wobei VR der Verdichtung des Volumens gewidmet ist und mit für Verdichter oder Kompressoren übliche automatische Ventile (v1, v2) zur Steuerung von Füllung und Entleerung ausgestattet ist, wogegen der andere Teil (ER) mit geeignet betätigten Ventilen zur Steuerung von Einlaß des verdichteten Dampfanteils (v3), der Steuerung des verdampften Kondensates (v4), sowie eines Auslassventils zur Entleerung des entspannten Arbeitsvolumens (v5) ausgestattet ist, wobei eine Speisepumpe (SP) für die Förderung des Kondensates verwendet wird und ein Wärmeübertrager (WT) für den Wärmeaustausch zwischen verdichtetem Restdampfanteil und verdamfendem Kondensat vorgesehen ist, und zusätzlich eine Einspritzung einer Kühlflüssigkeit (Ek, ) vor der Verdichtung in den Restdampfanteil vorgesehen werden kann, welche mit dem kondensierenden Fluid gemeinsam abgeschieden wird (AB) und anschließend von diesem durch Phasenseparation aufgrund des Dichteunterschiedes getrennt wird und durch eine weitere Pumpe (SP, oben) zur Einspritzung gefördert wird, siehe . In einer Sonderform dieser Gestaltung erfolgen die Betätigungen von Ventil v4 und v5 durch einen gemeinsamen Nocken und einen gemeinsamen Kipphebel, siehe , da diese wechselseitig betätigt werden können, wobei Verdichtungsraum VR und Entspannungsraum ER auch durch getrennte Kolben und Zylinder realisiert werden können.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer gemeinsamen Welle entsprechend eines Stirling-Verfahrens zwei oder mehrere Kolben angeordnet sind, welche in einem festen Phasenwinkel zueinander stehen, welcher im allgemeinen nahezu 90° beträgt, siehe , wodurch eine Kompression und eine Entspannung des durch Leitungen verbundenen Konpressionsvolumens erfolgt, welche einen Wärmetauscher WT, einen Abscheider AB und eine Einspritzvorrichtung INJ aufweisen, siehe . Bei der Bewegung der Maschine wird das entspannte Arbeitsmedium durch den Abscheider AB von Zylinder Z1 in den Zylinder Z2 befördert. Dabei wird der kondensierte Anteil durch den Abscheider AB abgeschieden. Im weiteren Verlauf komprimiert Zylinder Z2 das Arbeitsmedium, welches dabei in den Wärmetauscher WT überströmt, auf das Ausgangsvolumen, welches um den abgeschiedenen Anteil verringert ist. Damit wird der Ausgangsdruck nicht erreicht. Die dabei auftretende Wärmemenge Qab wird im Wärmetauscher WT gespeichert. Im weiteren Verlauf komprimiert die Speisepumpe SP den abgeschiedenen Anteil auf einen zweckmäßigen Druck, worauf das Kondensat durch den Injektor INJ in das Arbeitsvolumen eingespritzt wird. Durch den Kontakt mit den als Regenerator ausgelegten Flächen des Wärmetauschers WT verdampft es in der Folge und steigert damit den eigenen Druck und damit auch den Druck des restlichen, verdichteten Arbeitsmediums. Daraufhin ist der Prozeß am Ausgangszustand angelangt und eine erneute Entspannung beginnt im Zylinder Z1.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend der zweite Zylinder Z2 auch entfallen kann, wobei der Phasenunterschied zwischen den bisherigen Zylindern und die hin- und herbewegung des Arbeitsfluides durch einen einzigen Zylinder mit Kolben Z1 erfolgen. Der Wärmetauscher WT hat hierbei gegenüber Anspruch 3 eine abgeschlossene Seite. Die weiteren Zustandsänderungen erfolgen in entsprechender Weise. Die Maschine besitzt somit eine dem Pulsröhrenkühler ähnliche Gestalt, siehe Beschreibung, ist jedoch weniger effektiv als die Vorrichtung nach Anspruch 3.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Hauptanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung und Verdichtung des Hauptsystems, siehe , sowohl durch Verdränger- als auch durch Strömungsmaschinen erfolgen kann, wogegen die Zustandsänderungen des Kondensatsystems, ebenfalls , durch eine oder mehrere periodisch verschlossene Teilvolumina erfolgen, welche eine isochore oder annähernd isochore Druckerhöhung aufgrund des Wärmeüberganges durch die zugeführte Wärmemenge und anschließend eine Entleerung auf den Ausgangsdruck oder dementsprechende Zustandsänderungen ermöglichen.